配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)的理论与技术研究.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书资料大小：4.12M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的背景及意义

1.2 D-STATCOM控制器设计的研究现状

1.2.1 D-STATCOM电压控制策略的研究现状

1.2.2 D-STATCOM电流跟踪控制技术的研究现状

1.3 D-STATCOM补偿电流检测技术的研究现状

1.4 D-STATCOM用大功率IGBT驱动与缓冲电路设计的研究现状

1.5论文的主要工作及创新点

第2章基于瞬时功率平衡的模糊自适应PI直接电压控制策略研究

2.1概述

2.2 D-STATCOM补偿电压的基本原理

2.2.1直接电流控制的D-STATCOM工作原理

2.2.2 D-STATCOM补偿电压的基本原理

2.3同步坐标系中D-STATCOM的数学模型

2.4基于瞬时功率平衡的D-STATCOM直接电压控制策略

2.4.1传统的双闭环串级控制和前馈解耦控制策略

2.4.2 D-STATCOM系统功率分析

2.4.3基于瞬时功率平衡的D-STATCOM直接电压控制

2.5 D-STATCOM的模糊自适应PI控制

2.5.1 Fuzzy-PI控制器的原理和结构

2.5.2 Fuzzy-PI控制器设计

2.6控制系统仿真研究

2.7本章小结

附图

第3章电网电压不平衡条件下D-STATCOM的运行分析及不平衡控制策略

3.1概述

3.2电网电压不平衡条件下D-STATCOM的运行分析

3.2.1电网电压不平衡条件下D-STATCOM的输出性能分析

3.2.2电网电压不平衡条件下D-STATCOM装置的过流分析

3.3应用改进开关函数调制法改善D-STATCOM逆变器的输出性能

3.3.1基本原理

3.3.2单独使用改进的开关函数调制法存在的不足

3.4用于抑制装置过流的负序电压前馈控制策略

3.4.1基本原理

3.4.2负序电压检测方法

3.4.3控制系统组成

3.5用于补偿电网电压不平衡的正、负序双环叠加控制策略

3.5.1基本原理

3.5.2控制系统组成

3.6仿真研究

3.7本章小结

第4章D-STATCOM用于负荷补偿时的补偿电流检测与控制方法研究

4.1补偿电流检测方法综述

4.2基于瞬时无功功率理论的补偿电流检测方法

4.2.1 p-q法

4.2.2 ip-iq法

4.3改进的基于电源电压矢量的同步参考坐标变换检测法

4.3.1电网电压不平衡条件下补偿电流检测方法综述

4.3.2考虑电网电压不平衡时的同步参考坐标法

4.4检测方法中低通滤波器的研究

4.4.1检测方法中低通滤波器的选择

4.4.2 ButterWorth低通滤波器的特性

4.4.3 ButterWorth低通滤波器应用于基波电流检测时的性能分析

4.5基于空间矢量调制的D-STATCOM滞环电流跟踪控制方法

4.6仿真研究

4.6.1检测方法验证

4.6.2在D-STATCOM中的应用

4.7本章小结

第5章D-STATCOM用IGBT的驱动技术与缓冲电路参数优化设计

5.1概述

5.2 D-STATCOM用IGBT的智能集成驱动技术研究

5.2.1 SCALE驱动器的应用

5.2.2驱动电路原理框图

5.2.3逻辑电平、死区时间和Rth的确定

5.2.4驱动电路原理图

5.2.5应用2SD315A设计驱动电路时的一些技术细节

5.3 D-STATCOM用IGBT的缓冲电路研究

5.3.1 IGBT产生过电压机理分析

5.3.2 D-STATCOM新型主回路结构

5.3.3缓冲电路的性能分析及参数优化

5.4本章小结

第6章D-STATCOM实验样机的研制与实验研究

6.1 D-STATCOM实验装置系统构成

6.2 D-STATCOM实验装置主电路参数设计

6.2.1功率开关器件IGBT选型

6.2.2连接电抗器参数计算

6.3 D-STATCOM控制系统设计

6.3.1 D-STATCOM控制系统硬件结构

6.3.2 D-STATCOM控制系统软件模块

6.4 D-STATCOM实验结果及分析

6.4.1 D-STATCOM装置的开环并网实验

6.4.2 D-STATCOM装置的闭环并网实验

6.5本章小结

结论

参考文献

致谢

附录

湖南大学博士学位论文配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）的理论与技术研究姓名：唐杰申请学位级别：博士专业：电气工程指导教师：罗安20070711

博士学位论文摘要配电网静止同步补偿器(D—STATCOM)是一种重要的“用户电力(CustomPower)”装置，在配电网中能有效的解决电压波动与闪变、三相电压不平衡、电网谐波污染等电能质量问题。论文对D．STATc0M用来改善配电网电能质量时的电压控制策略、电网电压不平衡条件下D．sn玎COM的运行性能及不平衡控制策略、补偿电流检测与控制技术、功率开关器件的驱动和缓冲电路参数优化设计等理论和关键技术进行了系统深入的研究，主要包括以下几方面的内容。补偿无功和电压是D．STATCOM装置的基本功能。D．STATCOM通过与公共连接点(PCC)进行无功功率交换，可以使公共连接点电压维持在参考电压值。为了使D．STATCOM装置具有良好的电压补偿性能，电压控制器的性能显得至关重要。论文的第2章针对传统的D．STATCOM电压控制策略存在的不足，以瞬时无功功率理论为基础，从功率交换的角度详细地分析了D．sTATCOM系统中的功率交换关系，推导出了D．STATCOM逆变器的输出电压与指令电流之间的转换关系，进而提出了基于瞬时功率平衡的直接电压控制策略。由于该控制策略在实现过程中要利用到D．sn玎c0M系统中连接电抗器的等效电气参数，所以控制器的控制性能会受到等效电气参数的影响。同时考虑到D．STATCOM数学模型的不精确性，论文将模糊自适应PI控制引入到D．Sn盯cOM控制系统中，使得控制器不仅结构简单、容易实现，而且还具有鲁棒自适应性能。对控制策略进行了数字仿真研究，仿真结果证明了控制策略的正确性和有效性。不平衡控制是D．S日订c0M实现工程应用时所面临的技术难题之一。电网电压不平衡现象在配电网中普遍存在，电网电压的不平衡会给D．STATCOM装置造成不利影响。论文的第3章首先应用开关函数法和序网络分析法从D．STATCOM逆变器的输出性能和装置的过流两方面详细地分析了电网电压不平衡对D．STATCDOM装置的影响。然后提出了综合利用改进的开关函数调制法和负序电压前馈控制的不平衡控制策略，克服了单独使用改进的开关函数调制法和负序电压前馈控制策略存在的缺陷，解决了D．STATCOM输出电流中的谐波问题和装置的过流问题。为了利用D．STATCOM改善供电电压的不平衡度，论文的第3章提出了正、负序双控制环相叠加的不平衡控制策略，正、负序控制环均实现了无电流传感器控制，使D．STATCOM既能很好的补偿电压又能改善不平衡度。D-STATc0M装置除了补偿无功功率和电压外，也可以用来实现对负荷的综合

博士学位论文补偿。拓宽D—STATCOM的应用范围，提高D．STATCOM装置的性价比也是D—STATCOM未来发展的一个方向。利用D．STATCOM来实现对负荷的综合补偿时，补偿电流的检测和控制技术是其中的两大关键技术。论文的第4章提出了一种改进的基于电源电压矢量的同步参考坐标变换检测法，该方法无需锁相环电路，且在电网电压不平衡条件下仍能准确的检测出负载电流中的无功、谐波和负序分量，满足D-STATCOM负荷综合补偿的要求。D．STATCOM用于负荷综合补偿时其补偿指令电流为不规则的非正弦信号，常规的电流跟踪控制技术很难使D—STATCOM的输出电流能很好的跟踪补偿指令电流的变化。针对补偿指令电流信号的特点，论文的第4章将基于空间矢量的滞环电流控制技术引入到D．STATCOM用于负荷综合补偿时的电流跟踪控制之中，取得了不错的控制效果。D·STATCOM装置要实现安全、稳定运行，在很大程度上取决于主电路功率开关器件的运行情况。为了使功率开关器件稳定、可靠的工作，必须为其设计性能优良的驱动电路和缓冲电路。论文的第5章从工程开发周期和驱动电路的性能出发，提出了一种基于SCALE器件的IGBT智能集成驱动保护方案。该方案采用了智能集成驱动器2SD315A作为D．STATCOM功率开关器件IGBT的驱动电路，该驱动电路集驱动、隔离和保护为一体，且开发周期短，适合于D．STATCOM实际装置的开发。论文给出了该方案实现过程中的一些技术细节，可以为同类型的电力电子设备的开发提供参考．论文的第5章还设计了一种D．STATCOM主回路新型结构，使得主回路电感更小，从而更好的抑制瞬态电压。此外，针对目前根据工程经验来设计缓冲电路所存在的问题，提出了基于模糊多目标优化的缓冲电路参数设计方法，实践证明这种方法是切实可行的。论文的第6章在前面几章相关理论和技术的指导下成功研制出了±50kvar的D—STATCOM实验装置，并在实验样机上进行了大量的实验。实验结果与仿真结果相吻合，验证了上述理论和技术是正确而有效的。论文最后对全文工作进行了总结，对D．STATCOM今后的研究方向和应用前景进行了展望。关键词：电能质量；配电网静止同步补偿器流检测；电流跟踪控制；驱动电路；Ⅱ(D·STATCOM)；电压控制；补偿电缓冲电路

AbstractDistributionStaticSynchronousCompensator(D-STATCOM)isanimportant”CustomPower”device，whichcanbeaneffectivesolutiontopowerqualityproblemssuchasvoltagefluctuationandflicker,three-phasevoltageimbalanceandharmonicspollution．Basedonlaboratory+50kvarD·STATCOMdevicesforthedevelopmentbackground，D·STATCOMvoltagecontrolstrategy,unbalancedcontrolstrategy,compensationcurrentdetectionandcontroltechnology,powerswitchingdevicedriversandsnubbercircuitdesignparameteroptimizationtheoryandkeytechnologyforthesystemin·depthwerestudied．ReactivecompensationandvoltagecontrolarethebasicfunctionsofD-STATCOM．D—STATCOMCanmakethevoltageofPCCmaintainthevoltagereferencevoltagevaluethroughreactivepowerexchangewiththepowersystem．ForD-STATCOMdeviceswithgoodvoltagecompensationperformance，voltagecontrollerdesigniscrucial．InthesecondchapteraimsattheshortcomingsofthetraditionalvoltagecontrolstrategyofD-STATCOM，onthebasisofinstantaneousreactivepowertheory,powerexchangefromtheperspectiveofadetailedanalysisoftheD-STATCOMsystemofpowerexchange，derivedfromtheD-STATCOMoutputvoltageinstructionsanddirectivesforconversionbetweenthecurrentrelationshipthusthebalanceofpowerbasedoninstantaneousvoltagedirectcontrolstrategy．Astherealizationofthecontrolstrategytheconnectreactorequivalentelectricalparametersareused．Therefore，theperformanceofthecontrollerwillbeinfluencedbyequivalentelectricalparameters．AtthesametimetakingintoaccounttheD—STATCOMmathematicalmodelofaccuracy,theadaptivefuzzyPIcontroliSusedinD-STATCOMcontrolsystem，whichmakesnotonlysimple，easytoimplement，butalsorobustadaptiveperformance，simulationresultsprovethispoint．UnbalancedcontrolisatechnicaldifficurieswhenD．STATCOMrealizationoftheprojectapplication．Gridvoltageimbalanceprevailinginpowersystem，powersystemvoltageimbalancewillgiveD—STATCOMadverselyaffected．InthethirdchaptertheoutputperformanceofinverterforD-STATCOMandtheovereurrentphenomenaofD-STATCOMareanalyzeddetailedunderpowersystemvoltageisIll

imbalance．Acomprehensiveutilizationofimprovedswitchingfunctionmodulationandnegativesequencevoltagefeedforwardcontroltheimbalancecontrolstrategyovercomealoneimprovetheswitchingfunctionmodulationandnegativesequencevoltagefeedforwardcontrolstrategytocontroltheimbalance，thedefectssolvetheD．STATCOMoutputcurrentharmonicsofthedeviceandovercurrentproblems．InordertotakeadvantageofD—STATCOMimprovethesupplyvoltageimbalancepositiveandnegativesequencecontrolloopsuperimposedimbalancecontrolstrategyisproposedinthethirdchapteris．Fromsimulationandtheexperimentalresults，thisimbalancecontrolstrategyisfeasible．D—STATCOMdevicesinadditiontocompensationofreactivepowerandvoltage，butalsocanbeusedforloadcomprehensivecompensation．BroadenD-STATCOMscopeofapplicationenhanceD—STATCOMdevice’Scost-effectivenessisD-STATCOMfuturedevelopmentofadirection．WhenusingD—STATCOMtoachievealoadcomprehensivecompensation，compensationcurrentdetectionandcontroltechnologyisoneofthetwokeytechnologies．Inthefourthchapteramodifiedvectorbasedonthesupplyvoltagesynchronousreferencecoordinatetransformationmethodisproposed．ThismethodisnoneedPLLcircuitandthevoltageimbalanceconditionsCanbeaccuratelydetectedbytheloadcurrentofreactive，harmonicandnegativesequencetomeetD—STATCOMloadcompensationrequirements．Considerationoftheirregularnon—sinusoidalsignalofD-STATCOM’Sdirectcurrent，theconventionalcurrenttrackingcontroltechnologyisverydifficulttoachievewithoutstaticerrortracking．Becauseofthis，inthefourthchapterbasedonthevectorspacehysteresiscurrentcontroltechnologyisintroducedtotheD—STATCOMwhichachievescomprehensiveloadcompensationandachievesgoodcontroleffect．D—STATCOMdevicestoachievesecurity,stabilityoperationsdependstoalargeextentonthemaincircuitpowerswitchingdeviceoperation．Inordertoensurethatthepowerswitchingdevicesstablecanreliablywork，wemustdesignitsexcellentperformancedrivingcircuitandthesnubbercircuit．Chapter5ofthepapersfromthepointofviewofprojectdevelopmentcycleanddrivecircuitperformance，integrateduseofintelligentintegrateddrivingmoduleSD315AasD·STATCOMpowerswitchingdeviceIGBTdrivecircuit，thedrivingcircuithasthefunctionofdriving，isolationandprotectionofintegrationanddevelopmentcycleisshortSOsuitableforD—STATCOMpracticaldevicedevelopment．InthefifthchapteralsodesignedaD—STATCOMnewmaincircuitstructure，themaincircuitinductancemakessmallerandbettertransientvoltagesuppression．Inaddition，afuzzy—basedmulti·objectiveoptimizationoftheIV

designparametersofthesnubbercircuit，practicehasprovedthatthemethodisfeasible．Inthesixthchapterofthepaperundertheguidanceoftheabovetheoriesandtechnologiesa士50kvarD·STATCOMprototypeisdevelopment．Alargenumberofexperimentsareimplementedontheexperimentalprototype．Theexperimentalresultsmatchwiththesimulationresults．Thecorrectionandeffectiveofthetheoriesandtechnologiesareverifiedbytheexperimentalresults．KeyWords：PowerQuality；DistributionStoicSynchronousCompensatorfD—STATCOM)；VoltageControl；CompensationCurrentDetection；CurrentTrackingControl；DrivingCircuit；SnubberCircuit；V

湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。储签澎日期冲ff月7日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密团。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名夕蓼多0，y’。导师签名：．7y／年年嘲叼

博士学位论文1．1课题的背景及意义第1章绪论电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一。在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是增强用电效率、节雏降损、改善环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。随着现代科学技术的发展，近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路等负荷不断增加。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的用电特性，使网络中的电压、电流波形发生畸变，或引起电压波动、闪变和三相不平衡。此外，系统侧发生的雷击线路、投切电容器组、短路、断路等，都给供电质量造成严重干扰。另一方面，随着现代工业技术的不断发展和计算机技术的广泛应用，用电设备对电能质量更加敏感。低劣的供电质量将导致低劣的产品质量，特别是在重要工业生产过程中，供电的突然中断将会带来巨大的经济损失。据美国官方统计，近20年来全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起，每年因电能质量扰和电气环境污染引起的国民经济损失高达300亿美元，电能质量直接关系到国民经济的总体效益。如何提高和保证电能质量，已成为迫切需要解决的重要课题之一。电能质量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的重要标志，控制和改善电能质量也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件。电能质量问题已不仅仅是电力系统中电压和频率等的基本技术问题，它已被提升为关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行，关系电气环境工程保护，关系整个国民经济的总体效益和发展战略。因此，开展电能质量控制技术的研究及相关电能质量调节装置的开发具有重要的现实意义和战略意义，成为了近年来电气工程领域研究的热点之一。N．G．Hingorani于1986年提出了灵活交流输电系统(FACTS)的概念。FACTS技术发展的两个重要特点，一是不断采用新器件，另一个特点是装置多样化，应用范围更广。一方面继续向高压大容量方向发展，另一方面，向中低压配电网的应用发展，宗旨是提高用户侧的电能质量，称之为用户电力技术(Custompower)。用户电力技术的概念最早于1988年由N．G．Hingorani博士提出，这是一种应用现代电力电子技术、计算机技术和控制技术，按用户特定要求提供电力供应并实现对电能质量控制的技术。我国一些学者称为DFACTS，认为是FACTS技术在配电系

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